ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С АСИНХРОННЫМ СТАРТЕРОМ-ГЕНЕРАТОРОМ Российский патент 2001 года по МПК H02P9/44 F02N11/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам с полупроводниковыми (вентильными) преобразователями электроэнергии, и может быть использовано в автономных объектах, в частности автомобилях, для генерирования электрической энергии и запуска приводного двигателя.

Известны электрические системы со стартер-генераторами на базе электрических машин переменного тока /1, 2/.

Известна также электрическая система с асинхронным стартер-генератором и вентильным преобразователем в цепи статора асинхронной машины, соединенный с валом приводного двигателя /3/. Это система содержит аккумуляторную батарею в цепи постоянного тока, соединенную непосредственно с выводами той же полярности вентильного преобразователя. Вал асинхронной машины соединен с валом приводного двигателя через редуктор. Управляющие выводы полупроводниковых элементов вентильного преобразователя соединены с выходами блока выходных каскадов устройства управления, входы которого подключены к выходам трехфазного генератора импульсов, вход которого соединен с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем, который содержит микропроцессорное устройство для регулирования частоты и амплитуды напряжения статора асинхронной машины в стартерном и генераторном режимах. Потребители постоянного тока системы соединены с шинами аккумуляторной батареи через преобразователь постоянного тока, стабилизирующий напряжение этих потребителей.

Рассмотренная система позволяет осуществить эффективный управляемый запуск приводного двигателя от аккумуляторной батареи и вырабатывать электроэнергию для заряда аккумуляторных батарей и электроснабжения потребителей постоянного тока стабилизированным напряжением в генераторном режиме. Недостатком этой системы является снижение перегрузочной способности асинхронной машины при работе с ограничением уровня амплитуды напряжения статора на повышенных частотах и, как следствие, ограничение сверху области рабочих частот вращения приводного двигателя в генераторном режиме (4000 - 4500 мин^-1).

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что, с целью устранения этого недостатка, в электрической системе с асинхронным стартер-генератором, включающей асинхронную машину, выводы трехфазной обмотки статора которой соединены с фазными выводами трехфазного вентильного преобразователя типа автономного инвертора напряжения, управляющие входы полупроводниковых элементов вентильного преобразователя соединены с выходами выходных каскадов, входы которых подключены к выходам трехфазного генератора импульсов, вход которого соединен с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем, причем вал асинхронной машины соединен с валом двигателя внутреннего сгорания, а два вывода постоянного тока вентильного преобразователя - с однополярными выводами аккумуляторной батареи, к которым подключены выводы потребителей постоянного тока, а также эта система снабжена дополнительным преобразователем постоянного тока с управляющим входом, устройством управления этим преобразователем, управляемым ключом, конденсатором, подключенным к выводам постоянного тока вентильного преобразователя, и датчиком напряжения статора асинхронной машины, выход которого соединен с входом блока автоматического управления, причем дополнительный преобразователь постоянного тока включен между выводами аккумуляторной батареи и выводами постоянного тока вентильного преобразователя, а его однополярные выводы, между которыми включен вентильный управляемый элемент и соединенный с ним последовательно дроссель, соединены управляемым ключом, управляющий вход которого соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя через пороговый элемент, причем упомянутое устройство управления включает формирователь импульсов управления, выход которого соединен с управляющим входом дополнительного преобразователя постоянного тока, имеющий вход регулирования ширины импульсов и вход синхронизации, датчик тока аккумуляторов и задатчик тока аккумуляторов, элемент сравнения и регулятор тока, при этом выход датчика тока аккумуляторов подключен на инвертирующий вход элемента сравнения, а на его другой вход подключен выход задатчика тока аккумуляторов, выход элемента сравнения через регулятор тока соединен со входом регулирования ширины импульсов формирователя импульсов управления, а вход синхронизации упомянутого формирователя связан с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем.

Кроме того, предлагаемое изобретение имеет целью уменьшение массообъемных показателей дополнительного преобразователя постоянного тока, что достигается тем, что упомянутое устройство управления снабжено управляемым умножителем частоты с основным и управляющим входами, а также аналого-цифровым преобразователем, причем выход управляемого умножителя частоты соединен с входом синхронизации формирователя импульсов управления, управляющий вход умножителя соединен с выходом датчика напряжения асинхронной машины через аналого-цифровой преобразователь, а основной вход - с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем.

Положительный эффект достигается тем, что система снабжена дополнительным преобразователем постоянного тока с управляющим входом, устройством управления этим преобразователем, управляемым ключом, конденсатором, подключенным к выводам постоянного тока вентильного преобразователя, и датчиком напряжения статора асинхронной машины, выход которого соединен с входом блока автоматического управления, причем дополнительный преобразователь постоянного тока включен между выводами аккумуляторной батареи и выводами постоянного тока вентильного преобразователя, а его однополярные выводы, между которыми включен вентильный управляемый элемент и соединенный с ним последовательно дроссель, соединены управляемым ключом, управляющий вход которого соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя через пороговый элемент, причем упомянутое устройство управления включает формирователь импульсов управления, выход которого соединен с управляющим входом дополнительного преобразователя постоянного тока, имеющий вход регулирования ширины импульсов и вход синхронизации, датчик тока аккумуляторов, вход которого включен последовательно в цепь аккумуляторов, и задатчик тока аккумуляторов, элемент сравнения и регулятор тока, при этом выход датчика тока аккумуляторов подключен на инвертирующий вход элемента сравнения, а на его другой вход подключен выход задатчика тока аккумуляторов, выход элемента сравнения через регулятор тока соединен со входом регулирования ширины импульсов формирователя импульсов управления, а вход синхронизации упомянутого формирователя связан с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем, а также тем, что упомянутое устройство управления снабжено управляемым умножителем частоты с основным и управляющим входами, а также аналого-цифровым преобразователем, причем выход управляемого умножителя частоты соединен с входом синхронизации формирователя импульсов управления, управляющий вход умножителя соединен с выходом датчика напряжения асинхронной машины через аналого-цифровой преобразователь, а основной вход - с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем.

В качестве примера конкретного выполнения системы приведена система с автомобильным асинхронным стартер-генератором и транзисторным преобразователем частоты.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства.

На фиг. 2 пояснено выполнение вентильного преобразователя и подключения источника питания электронных схем.

На фиг. 1 асинхронная машина 1 присоединена через редуктор 2 к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) 3. Фазы статора асинхронной машины соединены с выводами переменного тока A, B, C вентильного преобразователя (ВП) 4, выводы постоянного тока 5, 6 которого соединены с однополярными выводами аккумуляторной батареи 7. К выводам аккумуляторной батареи подключена бортовая сеть (БС) 8 автомобиля. Она может быть подсоединена через преобразователь постоянного тока, как и в /3/. Выводы постоянного тока вентильного преобразователя 4 соединены с выводами аккумуляторной батареи через дополнительный преобразователь постоянного тока 9, включающий индуктивный элемент (дроссель) 10, транзистор (вентильный управляемый элемент) 11 и обратный диод 12. Цепь с дросселем и транзистором шунтирована управляемым нормально замкнутым ключом 13, вход которого через пороговый элемент 14 подключен к выводам 5, 6 ВП. Частота и амплитуда напряжений переменного тока вентильного преобразователя регулируется блоком автоматического управления 15, выход основной частоты 16 которого соединен со входом вентильного преобразователя 4. На выводы A, B, C подключен датчик напряжения 17, выход которого соединен со входом блока автоматического управления 15. К управляющему входу преобразователя постоянного тока 9 подключен выход устройства управления 18.

Устройство 18 содержит датчик тока 19 в цепи аккумуляторной батареи, элемент сравнения 20, задатчик тока 21, регулятор тока 22, формирователь импульсов 23 с входом регулирования ширины импульсов 24 и входом синхронизации 25, умножитель частоты 26 с управляющим входом 27 и аналого-цифровой преобразователь 28.

При этом выход датчик тока 19 подключен на инвертирующий вход устройства сравнения 20, на неинвертирующий вход которого подключен задатчик 21 зарядного тока аккумуляторов. Выход устройства сравнения соединен с входом регулятора тока 22, который может быть выполнен на электронном усилителе. Выход регулятора тока 22 подключен на вход регулирования ширины импульсов 24 формирователя импульсов 23, на вход синхронизации 25 которого через умножитель частоты 26 подключен выход 16 БАУ. На управляющий вход 27 умножителя частоты 26 через аналого-цифровой преобразователь 28 подключен выход датчика напряжения 17.

На фиг. 2 изображен вентильный преобразователь 4, выполненный по схеме трехфазного мостового автономного инвертора напряжения. Каждое из плеч моста содержит транзистор и обратный диод. На выводы 5, 6 этого преобразователя включен конденсатор 29. Транзисторы ВП 4 управляются выходными каскадами 30, на входы которых подключен трехфазный генератор импульсов 31, на вход которого подключен выход 16 основной частоты блока автоматического управления 15. На шины 5, 6 вентильного преобразователя 4 через ключ 32 подключен источник питания 33, выходы которого соединены с шинами питания электронных схем описанной электрической системы. Ключ 32 может быть выполнен как ключ зажигания автомобиля.

Электрическая система с автомобильным асинхронным стартер-генератором работает следующим образом.

При включении ключа 32 начинает работать источник питания 33 и электронные схемы управления электрической системы. Блок автоматического управления 15 производит регулируемый частотный запуск асинхронной машины 1 от батареи аккумуляторов 7 через вентильный преобразователь 4 (например, как в /2/). Управляемый ключ 13 в стартерном режиме замкнут и преобразователь постоянного напряжения 9 не работает. После разгона двигателя внутреннего сгорания 3 до номинальной скорости он вступает в работу и начинает вращать вал асинхронной машины 1 с частотой вращения больше синхронной. Система переходит в генераторный режим работы. При этом на низких частотах вращения ДВС 3 блок 15 стабилизирует напряжение аккумуляторной батареи 7. После разгона двигателя внутреннего сгорания 3 до частот вращения значительно выше номинальной блок 15 производит регулирование основной частоты на выходе 16 так, чтобы при увеличении частоты вращения вала машины 1 амплитуда напряжения на статоре этой машины увеличивалась, например, так, как это описано в /1/. При этом увеличивается напряжение на выводах 5, 6, срабатывает пороговый элемент 14 (он может быть выполнен в виде катушки реле, а 13 в виде нормально замкнутого контакта этого реле) и управляемый ключ 13 размыкается. Начинает работать преобразователь постоянного тока 9.

Работает преобразователь 9 следующим образом. При увеличении напряжения на выводах 5 и 6 увеличивается ток заряда аккумуляторов, увеличивается сигнал с датчика тока 19, который уменьшает сигналы на выходах элемента сравнения 20 и регулятора тока 22, что уменьшает сигнал на входе 24 формирователя импульсов 23 и уменьшает длительность вырабатываемых этим формирователем импульсов, что приводит к уменьшению времени открытого состояния транзистора 11 и уменьшению зарядного тока аккумуляторов. Таким образом ограничивается зарядный тока аккумуляторов. Индуктивный элемент 10 преобразователя 9 служит для сглаживания зарядного тока, а диод 12 для замыкания тока индуктивного элемента 10 при отключении транзистора 11.

Для устранения автоколебаний, могущих возникнуть в системе регулирования при постоянной частоте работы формирователя импульсов 23, его вход синхронизации 25 соединен с выходом основной частоты 16 БАУ 15. В этом случае частота переключении транзистора 11 кратна частоте выхода 15 и автоколебаний не возникает.

Но при постоянной кратности частоты работы ФИ 23 основной частоте БАУ 15 частота переключений транзистора 9 пропорциональна диапазону рабочих частот ДВС, в котором работает преобразователь 9, а массообъемные показатели преобразователя постоянного тока 9 велики при значительном диапазоне изменения указанных рабочих частот из-за увеличения индуктивности дросселя, выбираемой при минимальной частоте, и увеличения массы и объема охладителя транзистора 9, выбираемого при максимальной частоте.

Для снижения массообъемных показателей преобразователя постоянного тока 9 между выходом 15 БАУ и входом 25 формирователя импульсов 23 включен управляемый умножитель частоты, на управляющий вход которого подается выходной сигнал датчика напряжения 17, преобразуемый аналого-цифровым преобразователем 28 в цифровую форму. При увеличении сигнала с датчика напряжения 17 уменьшается коэффициент кратности умножителя частоты 26 так, что при увеличении основной частоты выхода 16 частота импульсов на синхронизирующем входе 25 формирователей импульсов изменяется в небольших пределах, что позволяет снизить потери в транзисторе 11 на максимальных частотах вращения ДВС 3 и увеличить частоту переключений транзистора 11 на нижних частотах вращения ДВС, при которых работает преобразователь 9. Последнее позволяет уменьшить массу и объем индуктивного элемента 10.

Показанный на фиг. 2 конденсатор 29 необходим для замыкания реактивных токов через мостовую схему вентильного преобразователя при работе преобразователя постоянного тока 9.

Таким образом, предложенная электрическая система с асинхронным стартер-генератором позволяет производить эффективный регулируемый частотный пуск асинхронной машины при запуске ДВС, а также обеспечивает значительные зарядные токи аккумуляторов и электроснабжение потребителей электроэнергией постоянного тока хорошего качества в генераторном режиме в широком диапазоне изменения частот вращения ДВС при ограниченных массе и объеме дополнительного преобразователя постоянного тока.

Использованные источники
1. Авт. свид. N 1669075 (СССР), H 02 P 9/4.

2. Патент по заявке N 95107184/07, кл. H 02 P 9/14, решение о выдаче 16.12.96.

3. Патент США N 4883973, кл. 290/31, 290/22.

Изобретение относится к электрическим машинам с полупроводниковыми (вентильными) преобразователями электроэнергии и может быть использовано в автономных объектах, в частности автомобилях, для генерирования электрической энергии и запуска приводного двигателя. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот вращения в генераторном режиме. Система снабжена дополнительным преобразователем постоянного тока с управляющим входом, устройством управления этим преобразователем, управляемым ключом, конденсатором, подключенным к выводам постоянного тока вентильного преобразователя, и датчиком напряжения статора асинхронной машины, выход которого соединен с входом блока автоматического управления, причем дополнительный преобразователь постоянного тока включен между выводами аккумуляторной батареи и выводами постоянного тока вентильного преобразователя, а его выводы, между которыми включен управляемый элемент, соединены управляемым ключом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрическая система с асинхронным стартером-генератором, включающая асинхронную машину, выводы трехфазной обмотки статора которой соединены с выводами трехфазного вентильного преобразователя типа автономного инвертора напряжения, управляющие входы полупроводниковых элементов которого соединены с выходами выходных каскадов, входы которых подключены к выходам трехфазного генератора импульсов, вход которого соединен с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем, причем вал асинхронной машины соединен с валом двигателя внутреннего сгорания, а два вывода постоянного тока вентильного преобразователя - с однополярными выводами аккумуляторной батареи, к которым подключены шины потребителей постоянного тока, отличающаяся тем, что система снабжена дополнительным преобразователем постоянного тока с управляющим входом, устройством управления этим преобразователем, конденсатором, подключенным к выводам постоянного тока вентильного преобразователя, датчиком напряжения статора асинхронной машины, выход которого соединен с входом блока автоматического управления вентильным преобразователем, причем дополнительный преобразователь постоянного тока включен между выводами аккумуляторной батареи и выводами постоянного тока вентильного преобразователя, и управляемым ключом, который в стартерном режиме замкнут и дополнительный преобразователь постоянного тока не работает, управляющий вход которого соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя через пороговый элемент, причем упомянутое устройство управления включает формирователь импульсов управления, имеющий вход регулирования ширины импульсов и вход синхронизации, датчик тока аккумулятора и задатчик тока аккумуляторов, элемент сравнения и регулятор тока, при этом выход датчика тока аккумуляторов подключен на инвертирующий вход элемента сравнения, а на его неинвертирующий вход подключен выход задатчика тока аккумуляторов, выход элемента сравнения через регулятор тока соединен с входом регулирования ширины импульсов формирователя импульсов управления, а вход синхронизации упомянутого формирователя связан с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем. 2. Электрическая система с асинхронным стартером-генератором по п.1, отличающаяся тем, что упомянутое устройство управления снабжено управляемым умножителем частоты с основным и управляющим входами и аналого-цифровым преобразователем, причем вход синхронизации формирователя импульсов управления связан с выходом основной частоты блока автоматического управления через умножитель частоты, управляющий вход которого соединен с выходом датчика напряжения асинхронной машины через аналого-цифровой преобразователь.